Drönaren Ingenuity sett av NASA:s Mars Perseverance-rover. SLAC-forskare arbetar med att förstå effekterna av de extrema temperaturerna på avlägsna planeter – eller mellanvästernvintrar – på de uppladdningsbara batterierna som driver enheter som dessa. Kredit:NASA/JPL-Caltech / Arizona State University / Malin Space Science Systems
Litiumjonbatterier är lite kända för sin dåliga prestanda i kallt väder, och det får konsekvenser för några av deras viktigaste applikationer – allt från att starta en elbil i en vinter i Wisconsin till att flyga en drönare på Mars.
Nu har forskare vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory identifierat en förbisedd aspekt av problemet:Att förvara litiumjonbatterier vid temperaturer under fryspunkten kan spricka vissa delar av batteriet och separera dem från omgivande material, vilket minskar deras elektriska lagringskapacitet. .
SLAC-forskaren Yijin Liu och postdoktor Jizhou Li gjorde upptäckten när de tittade på katodens prestanda i kallt väder, den del av batterielektronerna som flödar in i när den används. Initiala studier visade att lagring av katoder vid temperaturer under noll grader Celsius ledde till att batterier tappade upp till 5 % mer av sin kapacitet efter 100 laddningar än batterier som lagrats vid varmare temperaturer.
För att förstå varför, vände sig forskarna till en kombination av röntgenanalysmetoder vid SLAC:s Stanford Synchrotron Radiation Lightsource och maskininlärningstekniker som Li har arbetat med under de senaste åren. Kombinationen tillåter dem att identifiera individuella katodpartiklar – vilket innebär att teamet kan studera tusentals partiklar på en gång, jämfört med bara den handfull de kunde identifiera med enbart ögonen.
Tillsammans avslöjade dessa metoder att kalla temperaturer krympte de köttbulleliknande partiklarna i katoden och i processen att spricka dem - eller göra befintliga sprickor ännu värre, sa Liu. Och eftersom material skiljer sig åt i hur de expanderar och drar ihop sig som svar på ändrade temperaturer, var extrem kyla också att lösgöra katoderna från omgivande material.
Resultaten pekar på några möjliga korrigeringar, sa Liu. Genom att leta efter batterimaterial som är bättre matchade när det gäller deras temperaturrespons, kan forskare ta itu med lösgöringsproblemet. Att göra det kan hjälpa till att förbättra andra batterier också, eftersom alla batterier expanderar och drar ihop sig när de värms upp och svalnar. Och genom att konstruera olika partikelstrukturer inuti ett batteri - särskilt genom att bygga upp dem från smidigare, mindre köttbulleliknande partiklar - kan forskare hjälpa till att förhindra sprickbildning och förbättra den långsiktiga litiumjonbatterikapaciteten.
